作者:冯丽妃 来源:中国科学报 发布时间:2022/11/24 14:02:13
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科学家开发出多功能肿瘤诊疗纳米药物

 

中国科学院生物物理研究所研究员秦燕课题组、陈润生院士课题组和北京科技大学教授王天宇、姜健壮合作,开展了癌症的动态可转换核磁共振成像(MRI)诊断以及铁死亡治疗、光热治疗和化学治疗的协同治疗研究。研究将癌症诊断和治疗协同,利用铁的核磁性质诊断、引发细胞快速死亡的特性杀灭肿瘤细胞。相关成果11月20日在线发表于《先进功能材料》。

根据全球癌症统计数据报告,2020年全世界有1930万癌症确诊病例,且有1000万人死于癌症,死亡人数比2017年增长了130万。目前,人们尚未彻底了解癌症的发病机制,以及彻底治愈各类肿瘤的有效方法。临床上,手术、放疗或化疗仍然是癌症的常规治疗首选,它们虽然能取得一定的疗效,但均具有其局限性。探索更加高效、普适、低成本的癌症诊疗方法是很多科学家的心愿。

“过去二十年,将功能化的纳米药物用于癌症治疗得到已经取得不少研究结果。特别是在生物成像诊断和药物递送领域方面,纳米药物表现出无与伦比的优势。”论文共同通讯作者、干细胞及转化国家重点研发计划首席科学家秦燕对《中国科学报》说。

她介绍说,纳米材料通常具有独特的光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质。结合这些性质,科研人员已经开发出多种基于生物功能纳米材料的非侵入式肿瘤成像诊断技术,如光声成像、磁共振成像、X射线计算机断层扫描和普通X线成像(如放射性同位素成像),以及多种癌症治疗方法,如光热治疗、光动力治疗、声动力治疗、化学动力治疗以及联合治疗,等等。因此,同时将生物功能纳米材料的诊断和治疗功能结合在一起,有望推动个性化的临床应用。

“铁元素是血红蛋白和许多维持生命的不同酶中的主要功能元素,人体内适量的铁离子对健康有益。但值得注意的是,铁离子在癌细胞中的积累能导致癌细胞死亡,这也使得铁离子成为未来最有潜力的肿瘤治疗方法之一。”论文第一作者、北京科技大学与生物物理所联合培养博士生杨包产对《中国科学报》说。

但他表示,现有的铁基生物功能纳米材料用于癌症治疗时仍然存在几个不可避免的缺点,如许多铁基生物纳米材料只有单一模式的化学动力学治疗(CDT),通常抑制实体瘤的生长,却不能达到完全的肿瘤抑制。同时,几乎所有的铁基生物纳米材料都严重依赖弱酸性的肿瘤微环境,导致铁元素的利用率降低。

此外,肿瘤微环境的另一个特点是存在过量的谷胱甘肽(GSH),GSH是细胞氧化防御系统之一,是限制CDT作用的极大障碍。并且,对于MRI成像诊断,几乎所有的铁基生物纳米材料作为MRI造影剂主要实现单一的横向弛豫性成像效果,这对于低分辨的组织和肿瘤部位难以实现显著的成像诊断。因此,开发低成本和高效的铁基生物纳米材料,增强的肿瘤联合治疗,实现铁基生物纳米材料的高效肿瘤诊疗一体化具有重要意义。

在此背景下,秦燕与合作者开展了癌症的动态可切换MRI诊断和铁死亡治疗以及光热、化疗协同治疗研究。他们开发了多层次的氧化铁(Fe2O3)结构,并进一步结合靶向分子叶酸(FA)和化疗药物(Dox),得到多功能肿瘤诊疗纳米药物UF@PPDF NPs。

据介绍,该药物分级组装结构大大提高了铁的利用效率,可以快速释放铁离子和化疗药物,从而实现了铁死亡治疗以及光热治疗和化疗相结合的三功能协同肿瘤治疗。对于MRI,该药物可通过动态T2-T1成像切换清晰地显示肿瘤组织的大小和致密度,实现了肿瘤的高分辨诊断。在陈润生院士组的帮助下,通过差异表达基因的RNA测序(RNA-Seq)分析也表明,UF@PPDFNPs的三功能协同肿瘤治疗在癌细胞信号传导中具有多方面的作用。其中,细胞呼吸和电子传输被显著上调,而表观遗传途径,包括染色质修饰和转录活性被严重下调,从而导致细胞凋亡。

研究者表示,该药物为高效的深部肿瘤诊疗提供了新的可能性。其结构调制策略也为开发铁基生物纳米材料用于癌症治疗及多种疾病的治疗提供了借鉴意义。

相关论文信息:

https://doi.org/10.1002/adfm.202211251

 
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